热力站水泵自动调速系统设计及经济效益分析

宁新锋

（太原市热力集团有限责任公司热源分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

热力供应是我国北方地区冬季最重要的民生问题，保障热力供应是提高人民生活幸福指数的关键。目前，我国北方地区部分热力站的水泵调节依旧以工频的状态运行，二次管网的水流量是由阀门控制，此种方式不仅会损耗大量的电能，阀门在长时间水压的作用下也会出现损坏情况[1]，并不符合当前供热企业节能降本理念。因此，针对此类型热力站进行自动化改造，实现水泵转速的自动化控制是供热企业转型发展的关键。

1 热力站水泵自动调速系统的整体设计

本次所设计水泵自动调速系统主要用于某地17 号热力站当中，因此系统设备主要是基于17 号热力站的实际情况进行选型的。选用的硬件设备包含有变频器、循环水泵、补水泵、压力变送器、PLC 控制器、压力变送器、温度传感器、声光报警器、断路器等。由于系统在实际运行过程中会受到周边因素的影响，因此为了确保系统运行的安全性和可靠性，在系统采用自动控制系统结合人工控制的整体思路。

1.1 硬件设计

某地17 号热力站原采用的是两台15 kW 水泵作为二次管网循环泵，一台15 kW 水泵作为补水泵，由于长时间使用水泵效率有较大的降低，内部叶轮也存在部分损坏，因此在本次自动化系统设计过程中更换原有水泵。本次系统设计所选用循环泵型号为KQW150/235-15/4 热水泵，该水泵最大输送流量为210 m3/h，扬程为16 m，电机功率为15 kW；补水泵选用型号为KQW125/125-15/2，其最大输送流量为140 m3/h，扬程为20 m，电机功率为15 kW。循环泵与水泵的输送能力符合该热力站的供热需求。变频器选用ACS550-01-038A-4（ABB 公司生产），该变频器主要用于循环泵和补水泵的控制，其负载与循环泵和补水泵一致，并且其中内部配置有PID 控制模块，能够满足水泵的自动调节控制。PLC 控制器作为总控系统中心，主要用于监测系统运行数值，确保系统运行的稳定性和可靠性，如果在运行过程中某项数值超出预设范围，则接通声光报警器进行报警，同时触发断路器，停止水泵运转。基于此项功能，PLC 控制器选用S7-300 可编程序控制器（西门子），连接方式主要采用总线模式，并且热力站内部配备有不间断电源对PLC 控制器进行供电，确保热力站水泵的长时间可靠运行。根据水泵参数计算本次研究所选用断路器型号为NSE 100S/3P 32M，额定电流为32 A。压力变送器型号选用PT101，量程为0~0.6 MPa，主要用于检测二次供水、回水管网的压力。温度传感器主要检测二次供水、回水管网温度，型号为TT103，量程为0~100 ℃。

1.2 软件设计

热力站水泵自动调速系统的软件程序逻辑设计如下：

1）在系统起始时压力变送器、温度传感器以及PLC 监控系统对系统的启动运行参数进行检测，如果参数异常，则停止水泵并发出报警信号；如果监测参数正常则进行下一步；

2）根据温度传感器反馈回的温度数值进行温差参数评估，根据PLC 总控系统中心内预设的温差范围选择合理的压差给定值；

3）将得出的压差给定值传送到变频器当中，并与压力变送器反馈回的压力数值进行比较，计算得出差值代入变频器中的PID 算法模型当中，进而计算得出输出频率，实现对水泵的变频控制。

2 热力站水泵自动调速系统的建模与仿真

本次所涉及的水泵自动调速系统是基于变频器PID 算法实现的，在实际作用当中利用PID 算法对运行二次供、回管网压力值与目标压力值的差值的对比计算，从而计算出变频器的输出功率，进而实现水泵电动机的动态化调控。这不仅能够保障管网内部的压力平衡，同时也能降低水泵的电能损耗。

为了验证热力站水泵自动调速系统的作用和优势，本文利用MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真模拟，所搭接的模型如图1 所示。

将信息输入至模型当中进行仿真（比例系数设置为2、积分时间常数设置为5、微分时间常数设置为0.2，单位阶跃信号给定时间为仿真模拟开始后10 s），在仿真之前给系统加入一个单位阶跃信号，确定阶跃信号的理论响应变化。后执行仿真，模拟出系统运行过程中所反映出的阶跃信号变化曲线，具体结果如图2 所示。

图2 水泵自动调速系统模型单位阶跃响应曲线

由图2 可知，在阶跃信号给定后，基于PID 算法模型下的水泵自动调速系统能够在短时间内做出响应，并且在30 s 时达到稳定状态，由此可见，自动调速系统能够根据二次供、回管路压差做出快速响应，进而提高水泵的调控效率。

3 热力站水泵自动调速系统应用效果和经济效益分析

3.1 应用效果研究

本文设计的水泵自动调速系统应用在某地区17#供热站中，该供热站是为某小区进行供暖作业，因此设计系统的应用需要满足用户的取暖需求。系统地应用改造是在2020 年6 月18 日—7 月10 日进行。改造前后取该小区2 号楼602 室作为温度检测房间，该房间处于顶楼，未进行装修。室温检测时间设置为2019 年1 月2 日和2020 年12 月29 日，经过对两日气候温度调查发现两日气温上下限相同，为[-26，-7]℃。该检测时间点处于供暖中期，气候相对较冷，能够作为系统供暖需求检测的典型日。温度检测为每日6次，由00：00 开始，相隔4 h 检测一次，检测具体结果如图3 所示。

图3 改造前后某房间温度情况

由图3 可知，在水泵自动调速系统应用于热力站后，该房间的温度变化更为平稳，其中最低温度为18.46 ℃，最高温度为23.29 ℃，由此可见改造完成后热力站的热能供应依旧能够满足用户的供暖需求。

3.2 经济效益分析

某地供暖季为11 月1 日—3 月31 日，共计150天。改造之前，该供热站循环水泵与补水泵均以工频的方式运行，管路内部压力通过供水阀门与补水泵进行控制。该种完成后管路压力是由循环泵与补水泵相结合进行调控，具体而言首先由循环水泵进行调控，如果两台循环水泵已经运行到极限其中压差依旧较大则说明管网内部出现缺水情况，此时变频器便将一台循环水泵切换至工频，另一台停止，后与补水泵进行连接，对补水泵的频率合理化调控，直至系统所测得的压差满足设计需求后停止补水泵，变频器接回循环泵，对其进行动态化调控。

经过供热站循环系统水消耗量的分析发现，2019—2020 年热力站共消耗水资源4 650 m3；2020—2021 年供暖期，热力站共消耗3 153 m3，相比较上一供暖季降低近1 497 m3。该热力站所处地域工业用水价格为7.4 元/m3，经过软化处理水价可达8.6 元/m3。因此经过计算可知从水资源节约方面，改造完成后每年水费能够降低12 874.2 元。

此外，电能是热力站运行成本较高的主要因素之一[2]，在改造完成后循环水泵和补水泵均实现了动态化调控，通过分析PLC 监控系统中水泵输出功率记录能够得出系统的节能效果如表1 所示。

表1 某地区17 号热力站改造前后水泵节能情况

由表1 可知，在水泵自动调速系统应用后，17 号热力站所消耗的电能有了大幅下降，总体节能率达到41.18%，整个供暖期电能消耗量降低53 874 kW·h。该地区工业供电费用为0.73 元/（kW·h），经过计算可知整个供暖季能够降低费用为0.73 元/（kW·h）53 874 kW·h≈39 328元。

综上所述，在水泵自动调速系统应用后，17 号热力站所产生的直接经济效益便达到5.2 万元，由此可见该系统的应用具有良好的经济性。

4 结论

1）从硬件和软件的方面对热力站水泵自动调速系统进行设计，明确硬件选型和软件逻辑程序。

2）利用MATLAB/SIMULINK 软件对水泵自动调速系统进行仿真模拟，结果表明基于PID 算法模型下的水泵自动调速系统具有良好的响应速度，能够满足热力站水泵自动化动态调控需求。

3）将本文所设计的水泵自动调速系统应用于某地区17 号热力站当中，经过分析研究发现系统应用后热力站具有良好的供暖效果，某房间的温度在供暖中期也能达到18℃以上；从经济层面分析，水泵自动调速系统的应用能够有效降低水资源和电能的消耗，通过统计分析整个供暖季能够减少1 497 m3水消耗和53 874 kW·h 电消耗，热力站运行成本能够降低5.2 万元。